Компенсационный микрооптоэлектромеханический преобразователь линейного ускорения с магнитолевитирующим чувствительным элементом Российский патент 2025 года по МПК G01P15/93 

Изобретение относится к области приборостроения, в частности к устройствам для измерения линейного ускорения.

Известен волоконно-оптический преобразователь линейного ускорения на основе оптического туннельного эффекта (ОТЭ), состоящий из основного канала приемо-передачи оптического излучения, включающего волоконно-оптический ответвитель, связанный световодами с источником и приемником оптического излучения, соединенного электрически с блоком обработки информации и оптически, через световод, с чувствительным элементом, включающим в себя устройство ориентации оптического излучения, принятый за наиболее близкий аналог (Бусурин В.И., Жеглов М.А., Казарьян А.В., Коробков В.В. Волоконно-оптический преобразователь ускорения на основе оптического туннельного эффекта. Патент на изобретение № 2539681 от 20 января 2015 г.).

К недостаткам данного волоконно-оптического преобразователя можно отнести отсутствие обратной связи, ведущее к риску возникновения механического контакта между деталями преобразователя, и консольное закрепление устройства поглощения оптического излучения, являющегося чувствительным элементом (ЧЭ), что способно послужить причиной деградации его свойств ввиду усталости материала.

Технический результат, создаваемый изобретением, - повышение чувствительности к измеряемому линейному ускорению и снижение влияния электромагнитных явлений на результат измерения положения ЧЭ за счёт использования оптического считывания, расширение диапазона измерений и снижение риска механического контакта между деталями преобразователя за счет использования электромагнитных обратных связей, а также замедление деградации механических свойств ЧЭ за счёт отсутствия крепления ЧЭ к корпусу и, следовательно, деформаций в месте заделки.

Для достижения указанного результата предлагается компенсационный микрооптоэлектромеханический (МОЭМ) преобразователь линейного ускорения с магнитолевитирующим чувствительным элементом.

На фиг. 1 представлена структурная схема компенсационного МОЭМ-преобразователя линейного ускорения с магнитолевитирующим чувствительным элементом.

На фиг. 2 представлена функциональная схема воспринимающего модуля со смежными элементами компенсационного МОЭМ-преобразователя линейного ускорения с магнитолевитирующим чувствительным элементом.

Основной частью предлагаемого преобразователя линейного ускорения является воспринимающий модуль (1), который включает: ЧЭ (3), восприимчивый к распределённой инерционной силе, вызванной измеряемым линейным ускорением а_вх, и внутренним магнитным силам; два активных магнитных демпфирующих узла (6), удерживающие ЧЭ в состоянии левитации и обеспечивающие компенсацию инерционных сил электромагнитными; четырёхканальный оптический модулятор (9) на основе ОТЭ, детектирующий микроперемещения ЧЭ; корпус (2). ЧЭ может быть выполнен в виде плоскопараллельной пластины (4), например из плавленого кварца, с двумя магнитопроводами (5), которые закреплёны на ней и являются якорями электромагнитов.

Оптическое излучение от источника (11) разделяется на четыре канала при помощи ответвителя (12) и через подводящее оптическое волокно (13) поступает на параллельные каналы оптического модулятора. Каждый канал модулятора образован общим ЧЭ (4) и индивидуальной призмой полного внутреннего отражения (10), в катетную грань которой вводится излучение. Величина воздушного зазора между правильной треугольной призмой (10) и ЧЭ (4) находится на уровне десятых долей микрометра, что обеспечивает изменение отражательной способности модулируемой границы сред при малых смещениях ЧЭ (4), а следовательно, и оптической мощности излучения, отражённого от гипотенузной грани призмы (10).

Мощность отражённого излучения, передаваемого через отводящее оптическое волокно (14), в каждом канале детектируется соответствующим фоточувствительным элементом (15). В электронном блоке управления и обработки (ЭБУиО) (16) выполняется преобразование фототоков в напряжения, на основе значений которых производится определение положения ЧЭ, из которого следуют величины измеряемого ускорения и необходимых компенсационных напряжений для контуров обратной связи. Эквивалент измеренного линейного ускорения а_изм передаётся пользователю или надсистеме, а компенсационные напряжения поступают на два активных магнитных демпфирующих узла (АМДУ) (6), каждый из которых содержит по два электромагнита (7), силы притяжения которых регулируются ЭБУиО, и одному постоянному магниту (8), обеспечивающему отсутствие механического контакта между торцевой поверхностью ЧЭ и корпусом при действии линейного ускорения, направленного вдоль ЧЭ. Пара АМДУ за счёт электромагнитных сил, прикладываемых к соответствующим магнитопроводам, поддерживает ЧЭ в состоянии левитации и стабилизирует его положение по углу и координате, обеспечивая его устойчивость в области начальных значений зазоров.

Предлагаемый преобразователь имеет распределённую структуру, т.е. воспринимающий модуль может быть установлен в непосредственной близости к точке, в которой необходимо измерение линейного ускорения, а прочие элементы расположены отстранённо, что позволяет выполнять измерения в сложных условиях или в условиях жёстких ограничений пространства для установки преобразователя.

Изобретение относится к области приборостроения. Компенсационный микрооптоэлектромеханический преобразователь линейного ускорения с магнитолевитирующим чувствительным элементом содержит воспринимающий модуль, имеющий корпус; чувствительный элемент, являющийся инерционной массой, воспринимающей силы, индуцированные измеряемым ускорением, и представляющий собой оптическую пластину с двумя магнитопроводами, закреплёнными на ней; два активных магнитных демпфирующих узла, каждый из которых содержит два электромагнита и один постоянный магнит; четырёхканальный оптический модулятор, в каждом канале которого находится призма полного внутреннего отражения, закреплённая на корпусе, принимающий оптическую мощность от источника излучения, поровну разделённую между четырьмя считывающими каналами при помощи оптического ответвителя, по подводящим оптическим волокнам и передающий по отводящим оптическим волокнам выходную оптическую мощность, содержащую в своих значениях информацию о положении чувствительного элемента и детектируемую фоточувствительными элементами; электронный блок управления и обработки. Технический результат – повышение точности измерений линейного ускорения. 2 ил.

Компенсационный микрооптоэлектромеханический преобразователь линейного ускорения с магнитолевитирующим чувствительным элементом, включающий корпус воспринимающего модуля; чувствительный элемент, представляющий собой оптическую пластину с двумя магнитопроводами, закреплёнными на ней; два активных магнитных демпфирующих узла, каждый из которых содержит два электромагнита и один постоянный магнит, закрепленные на корпусе воспринимающего модуля; четырёхканальный оптический модулятор, в каждом канале которого находится призма полного внутреннего отражения, закреплённая на корпусе воспринимающего модуля, связанный подводящими оптическими волокнами через оптический ответвитель с источником излучения, при этом отводящие оптические волокна модулятора связаны с четырьмя фоточувствительными элементами, выходы фоточувствительных элементов связаны с входами электронного блока управления и обработки, на первый выход электронного блока подано вычисленное значение измеренного ускорения, а на втором - сформированные компенсационные сигналы, которые подаются на электромагниты двух активных магнитных демпфирующих узлов.